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1、*学院毕业设计（论文） 开关磁阻电机调速系统设计学 生：*学 号：*专 业：*班 级：*指导教师：* *学院*年*月摘要摘 要开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)调速系统(Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD)是一种新型的调速系统。因其结构简单，鲁棒性好，启动转矩大及调速范围宽等特点，日益受到国内外学者的关注。本文着重研究了开关磁阻电动机的非线性数学模型，研究了开关磁阻电动机调速系统的智能优化控制策略。本论文在分析常用的调速系统控制策略的基础上，使用了一种组合控制策略，对开关磁阻电动机调速系统进行了仿真研究。通过
2、仿真结果的分析，验证了数学模型及控制策略的实用性。关键词： 开关磁阻电机；调速系统；MATLAB/SIMULINKABSTRACTSwitched Reluctance Motor (SRM) Drive (SRD) is a new adjustable-speed system. More and more scholar attention in the world is attracted because of its simple structure, high robustness, high pull-in torque and large adjustable-speed sc
3、ale. In this paper, a non-linear mathematic model and an intelligent control strategy for Switched Reluctance Motor are emphasized on.A non-linear mathematic model of SRM based on phase winding inductance and a grouped control strategy are presented. And the simulation model of SRD is studied given
4、in this paper. The high reliability and high practicability of the non-linear mathematic model and grouped control strategy is proved by results of simulation.KEY WORDS: Switched Reluctance Motor;Drive System;MATLAB/SIMULINI目录目 录摘 要IABSTRACTII目录III第1章 引 言11.1 前言11.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向11.2.1 开关磁阻电机
5、调速系统的发展概况11.2.2 开关磁阻电机的应用与研究动向21.3 本论文的主要研究方向4第2章 开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理52.1 开关磁阻电动机调速系统52.1.1 开关磁阻电动机调速系统组成52.1.2 开关磁阻电机的工作原理72.2 开关磁阻电动机调速系统的特点82.3 开关磁阻电动机基本方程与性能分析92.3.1 SR电机的基本方程102.3.2 基于理想线性模型的SR电动机分析122.3.3 考虑磁路饱和时SR电动机分析15第3章 开关磁阻电机调速系统的控制策略193.1 SR电动机运行特性193.2 SR电动机基本控制方式203.3 本系统控制方式的选择24第4章 仿
6、真软件254.1 Simulink基本操作及模块库254.2 Simulink基本建模方法294.2.1 Simulink模型概念294.2.2 Simulink模型窗口的操作294.3 Simulink模型的仿真运行304.3.1仿真运行304.3.2仿真参数的配置31第5章 系统仿真325.1 基于SRD电机线性模型的SRD动态仿真模型335.2 仿真结果40第6章 结束语44致 谢45参考文献46第1章 引 言1.1 前言 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor,SRM）是在磁阻电动机的基础上发展起来的一种高性能机电一体化的产品。它具有两个基本的特征:1)开关性
7、；2)磁阻性。从结构上看，开关磁阻电动机可以说是一种简单的电动机，定子和转子均采用双凸极结构，定子有集中绕组，转子没有绕组,没有换向器和电刷，也无永久磁铁。因此，开关磁阻电动机具有成本低，结构简单，工作可靠，维修方便的优点。它控制灵活，可以独立地控制每相主开关导通与断开，采取不同的控制方式，可以得到不同负载要求的机械特性，很容易地实现四象限运行和软启动等要求。同时，SRM保持了异步电机结构简单、坚固可靠和直流电机可控性好的特点，显示了广阔的应用前景。但是开关磁阻电机有转矩脉动和噪声相对较大、必须配合控制器才能运行等缺点，这又限制了其在一些特定场合的应用。以SRM为控制对象的调速系统称为开关磁阻
8、电机调速系统(Switched Reluctance Drive，SRD) 它是一种新型的调速系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、位置检测器和控制器等几部分组成。它的调速性能可以与直流调速系统相媲美。SRD是融电力电子技术、微电子技术以及控制技术为一体的典型的机电一体化技术，具有很好的调速性能，被认为是继异步电动机变频调速系统后的又一种很有发展前景的变速拖动系统，具有很广阔的发展前景。1.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向 SR电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没
9、有释放能量的续流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能（效率、功率因素和利用系数等）不高。在此后100多年内，SR电机都没有得到重视和发展。1.2.1 开关磁阻电机调速系统的发展概况20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机深入研究，到1970年左右，研究结果表明：SR电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20世纪70年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机
10、，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。1975年，英国Leeds大学和Nottingham大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的50kwSR电机装置，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为“Variable-Speed Switched Reluctance Motors（变速开关型磁阻电动机）”的论文，系统阐述了SR电机的基本原理与设计特点，并得出新型磁阻电机的单位出力可以与交流电感电机相媲美甚至略占优势的结论，这标志着SR电机得到国际社会的承
11、认。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前，SRD在国外已取得很大的发展，其产品已在电动车驱动、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用。功率范围从10W到50MW，转矩从0.01Nm到1000000Nm，转速可达100000r/min。从1984年开始，我国许多单位先后开展了SRD研究，在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究发展很快。2000年，国内100kW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，目前已将180kW的SR电机应用于地铁机车的牵引，并已形成了一些SRD系列商品，最大功率达几十到上百千
12、瓦。1.2.2 开关磁阻电机的应用与研究动向SRD系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，在各种需要调速和高效率的场合，均能提供所需的性能要求。一些成功的应用领域如下：电动车。SRD系统可靠性高、效率高、起动转矩大、启动电流小，首先在电动车驱动领域得到应用，被认为是电动车驱动的最佳选择之一。 家用电器。英国SRD公司已有洗衣机用的SRD系统，功率700W，电动机与控制器的总价格为15.7英镑。该公司还生产食品加工机械、电动工具、吸尘器用的SRD系统。国内小功率SRD系统也已在服装机械、食品机械、印刷烘干机、空调器生产线等传送机构或流水线上应用。机械传动。SR电动机良好的起动性能使它特别适合于需要
13、启动转矩大、低速性能好、频繁正反转等场合，如在龙门刨床、平网印花机、可逆轧机等应用中都取得了良好的效果。精密伺服系统。SRD系统作为机电一体化产品，有优良的控制性能，可以在许多需要具有伺服性能的精密传动机构中开发应用。如在电缆、纺织行业中作恒线速度或恒张力传动，在具有高精度控制性能的计算机控制工业缝纫机中作伺服传动，都有较成功的应用。可以预计，具有伺服性能的SRD系统将在各种精密机械和智能机械中得到广泛的应用。目前，SRD系统的研究主要涉及以下几个方面：SRD系统的优化。SRD系统是由SR电机及其控制装置构成的不可分割的整体，因此，在设计时必须从系统的观点出发，对电机模型和控制系统综合考虑，进
14、行全局优化。无位置传感器SRD系统的研制。位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但是位置传感器的存在使电机的结构变得复杂，同时也降低了可靠性。为此探索实用的无位置传感器控制方案是十分引人注目的课题。新型控制技术的应用。高性能DSP和专用集成电路（ASIC）的应用，为SRD系统的高性能控制提供了可靠地硬件保证。因此，研究具有较高动态性能、算法简单、能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的SRD系统控制技术成为近期的重要任务，SRD系统的直接转矩控制、智能控制技术的研究成为热点。振动和噪声研究。由于SRD系统是脉冲供电工作方式，瞬时转矩脉动大，低速时步进状态明显，振动噪声大，这些缺点限制了其在诸
15、如伺服驱动这类要求低速运行平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，研究SR电机的电磁力及振动噪声特征成为改进SRD系统特性的重要课题之一。铁损耗分析与效率研究。SRD系统堪称是高效率调速系统，但SR电机的铁损耗计算是难度较大的课题之一。SR电机的铁损耗计算难度较大，这是因为电机供电波形复杂、电机磁路局部饱和严重、电机的步进运动状态及双凸极结构等特点。SR电机的铁损耗常常是影响效率的主要方面，尤其在斩波工作状态及高速运行时，铁损耗是较为可观的。铁耗分析的目的是建立准确、实用的铁损耗计算模型和分析、测试手段，以及从电机、电路结构和控制方案着手，研究减少损耗、提高效率的措施。1.3 本论文的主要研究方向本课题的主要研究内容是分析SR电动机稳态特性以及建立开关磁阻电动机调速系统，具体内容为:建立SR电动机的等效磁网络准线性模型，实现了对电机的准线性分析。 应用Matlab在SR电动机准线性模型下进行电机的性能仿真。 分析开关磁阻电机的控制方式，选择最优的控制策略，达到优化系统
